MOF衍生復(fù)合材料的制備及其在鋰硫電池中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2021-02-16 17:01
隨著科技和社會(huì)的不斷進(jìn)步,各類(lèi)電子設(shè)備以及動(dòng)力汽車(chē)高速發(fā)展,使得人們對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求不斷提高,同時(shí),不可再生能源的日益枯竭和越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題也使得開(kāi)發(fā)一種安全高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)變得越來(lái)越迫切。鋰離子電池自商業(yè)化以來(lái)由于其穩(wěn)定性好,循環(huán)壽命長(zhǎng),便攜等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。但是,目前傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料的理論容量較低且其成本較高,因此其進(jìn)一步發(fā)展受到了限制。近年來(lái),單質(zhì)硫由于其較高的理論容量和能量密度,資源豐富,環(huán)境友好和價(jià)格低廉等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。然而,將其用于鋰硫電池正極材料時(shí)仍然面臨著很多挑戰(zhàn),例如,活性材料硫與放電終產(chǎn)物L(fēng)i2S/Li2S2差的導(dǎo)電性,材料密度差引起的循環(huán)過(guò)程中材料明顯的體積變化以及電極中間放電產(chǎn)物多硫化物在正負(fù)極之間遷移導(dǎo)致的“穿梭效應(yīng)”。為了更好地解決以上問(wèn)題,本文以ZIF-67為前驅(qū)體,通過(guò)合理設(shè)計(jì)鋰硫電池正極復(fù)合材料來(lái)有效的改善電池的電化學(xué)性能。(1)本文通過(guò)簡(jiǎn)單的室溫靜置法制備ZIF-67菱形十二面體前驅(qū)體,前驅(qū)體分散均勻,粒徑均一,將ZIF-67前驅(qū)體經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的回流和煅燒過(guò)程,制...
【文章來(lái)源】:吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】:98 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【部分圖文】:
鋰硫電池(a)電極反應(yīng)示意圖(b)充放電曲線[19]
(2)反應(yīng)中間產(chǎn)物長(zhǎng)鏈多硫化物極易溶解在醚類(lèi)有機(jī)電解液中,因此電池正極會(huì)聚集較多的長(zhǎng)鏈多硫化物,形成濃度差,這些多硫化物在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下會(huì)從電池正極逐漸擴(kuò)散到金屬鋰負(fù)極,其中一部分與鋰金屬在負(fù)極進(jìn)一步還原生成短鏈多硫化物,使得這部分活性物質(zhì)很難再被利用;另一部分則受電場(chǎng)以及濃度梯度影響,回到正極重新被氧化,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”。因此正極活性物質(zhì)不斷減少,電池的庫(kù)倫效率降低,容量衰減嚴(yán)重,同時(shí)這些擴(kuò)散到鋰金屬負(fù)極的多硫化物也容易腐蝕金屬鋰,導(dǎo)致了電池的自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重。(3)由于單質(zhì)硫和Li2S的密度不同,因此在反應(yīng)前后不可避免的會(huì)出現(xiàn)體積變化問(wèn)題,經(jīng)計(jì)算,單質(zhì)硫在鋰化反應(yīng)之后體積膨脹約為80%。在電池不斷地充放電過(guò)程中,明顯的體積變化導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的粉碎和坍塌,使電極材料中活性物質(zhì)發(fā)生脫離以及各部分失去接觸,電池內(nèi)阻增大,電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性降低,電池壽命縮短。
Li等人[28]通過(guò)自模板方式,以竹葉為原料,經(jīng)過(guò)酸刻蝕和碳化的方法制備出一種多孔碳材料(HPCMs),其合成示意圖如圖1.4所示。具有三維連通性和納米級(jí)有序結(jié)構(gòu)的竹葉衍生的HPCMs材料導(dǎo)電性高,比表面積大。SiO2NPs衍生出的介孔結(jié)構(gòu)可以為單質(zhì)硫提供更多的存儲(chǔ)空間,HPCMs/S中硫含量高達(dá)70.26%。結(jié)果表明,HPCMs/S材料在電流密度為1 C時(shí),200圈循環(huán)后容量仍然能保持707 mAh g-1。Jayaprakash等人[29]通過(guò)簡(jiǎn)便方法合成介孔中空碳膠囊,并將單質(zhì)硫包裹在介孔中空碳膠囊的內(nèi)部。這種碳膠囊可以抑制多硫化物的穿梭效應(yīng),多孔的外殼有利于電子的良好輸運(yùn)和單質(zhì)硫的順利進(jìn)入,制備的C@S納米膠囊在低、高電流密度下均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。(2)碳納米管/纖維-硫復(fù)合材料
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]基于熒光金屬有機(jī)框架的化學(xué)檢測(cè)器研究進(jìn)展(英文)[J]. 何杰,徐加良,尹佳成,李娜,卜顯和. Science China Materials. 2019(11)
[2]A nanoporous nitrogen-doped graphene for high performance lithium sulfur batteries[J]. Shuang-Ke Liu,Xiao-Bin Hong,Yu-Jie Li,Jing Xu,Chun-Man Zheng,Kai Xie. Chinese Chemical Letters. 2017(02)
[3]Li-S電池硫正極性能衰減機(jī)理分析及研究現(xiàn)狀概述[J]. 刁巖,謝凱,洪曉斌,熊仕昭. 化學(xué)學(xué)報(bào). 2013(04)
本文編號(hào):3036652
【文章來(lái)源】:吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】:98 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【部分圖文】:
鋰硫電池(a)電極反應(yīng)示意圖(b)充放電曲線[19]
(2)反應(yīng)中間產(chǎn)物長(zhǎng)鏈多硫化物極易溶解在醚類(lèi)有機(jī)電解液中,因此電池正極會(huì)聚集較多的長(zhǎng)鏈多硫化物,形成濃度差,這些多硫化物在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下會(huì)從電池正極逐漸擴(kuò)散到金屬鋰負(fù)極,其中一部分與鋰金屬在負(fù)極進(jìn)一步還原生成短鏈多硫化物,使得這部分活性物質(zhì)很難再被利用;另一部分則受電場(chǎng)以及濃度梯度影響,回到正極重新被氧化,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”。因此正極活性物質(zhì)不斷減少,電池的庫(kù)倫效率降低,容量衰減嚴(yán)重,同時(shí)這些擴(kuò)散到鋰金屬負(fù)極的多硫化物也容易腐蝕金屬鋰,導(dǎo)致了電池的自放電現(xiàn)象比較嚴(yán)重。(3)由于單質(zhì)硫和Li2S的密度不同,因此在反應(yīng)前后不可避免的會(huì)出現(xiàn)體積變化問(wèn)題,經(jīng)計(jì)算,單質(zhì)硫在鋰化反應(yīng)之后體積膨脹約為80%。在電池不斷地充放電過(guò)程中,明顯的體積變化導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的粉碎和坍塌,使電極材料中活性物質(zhì)發(fā)生脫離以及各部分失去接觸,電池內(nèi)阻增大,電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性降低,電池壽命縮短。
Li等人[28]通過(guò)自模板方式,以竹葉為原料,經(jīng)過(guò)酸刻蝕和碳化的方法制備出一種多孔碳材料(HPCMs),其合成示意圖如圖1.4所示。具有三維連通性和納米級(jí)有序結(jié)構(gòu)的竹葉衍生的HPCMs材料導(dǎo)電性高,比表面積大。SiO2NPs衍生出的介孔結(jié)構(gòu)可以為單質(zhì)硫提供更多的存儲(chǔ)空間,HPCMs/S中硫含量高達(dá)70.26%。結(jié)果表明,HPCMs/S材料在電流密度為1 C時(shí),200圈循環(huán)后容量仍然能保持707 mAh g-1。Jayaprakash等人[29]通過(guò)簡(jiǎn)便方法合成介孔中空碳膠囊,并將單質(zhì)硫包裹在介孔中空碳膠囊的內(nèi)部。這種碳膠囊可以抑制多硫化物的穿梭效應(yīng),多孔的外殼有利于電子的良好輸運(yùn)和單質(zhì)硫的順利進(jìn)入,制備的C@S納米膠囊在低、高電流密度下均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。(2)碳納米管/纖維-硫復(fù)合材料
【參考文獻(xiàn)】:
期刊論文
[1]基于熒光金屬有機(jī)框架的化學(xué)檢測(cè)器研究進(jìn)展(英文)[J]. 何杰,徐加良,尹佳成,李娜,卜顯和. Science China Materials. 2019(11)
[2]A nanoporous nitrogen-doped graphene for high performance lithium sulfur batteries[J]. Shuang-Ke Liu,Xiao-Bin Hong,Yu-Jie Li,Jing Xu,Chun-Man Zheng,Kai Xie. Chinese Chemical Letters. 2017(02)
[3]Li-S電池硫正極性能衰減機(jī)理分析及研究現(xiàn)狀概述[J]. 刁巖,謝凱,洪曉斌,熊仕昭. 化學(xué)學(xué)報(bào). 2013(04)
本文編號(hào):3036652
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